希格斯場是怎么為基本粒子提供質(zhì)量的?

2012年在大型強子對撞機上發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子證實了粒子物理學(xué)家長期以來的猜測：宇宙中存在一個場，可以產(chǎn)生大量的基本粒子。不幸的是，物理學(xué)家很難向他人解釋，這個所謂的希格斯場是如何完成其艱巨任務(wù)的。

常見的方法是講述一個荒誕的故事。以下是一個版本。

有一種物質(zhì)，就像湯一樣，充滿了宇宙，這就是希格斯場。當(dāng)粒子穿過它時，湯會減緩粒子的速度，這就是粒子獲得質(zhì)量的方式。

一些其他版本的類似故事將希格斯場描繪成類似蜜糖、灌木叢、人群或雪之類的東西。

然而，所有這些故事都與物理學(xué)家在大學(xué)一年級剛開始幾周的課程中教授的內(nèi)容相沖突。利用希格斯場施加阻力來產(chǎn)生質(zhì)量，這違反了牛頓第一和第二運動定律。這種阻力如果存在，會在很久以前就導(dǎo)致地球螺旋式地進入太陽當(dāng)中。此外，如果希格斯場真的是一種物質(zhì)，它將被作為參照物，用來測量絕對運動，這違反了伽利略和愛因斯坦的相對論原理。

事實上，希格斯場與運動或減速無關(guān)。相反，它的故事都是與振動相聯(lián)系的。

量子場論是現(xiàn)代粒子物理學(xué)的重要框架，根據(jù)這一理論，宇宙充滿了場，包括電磁場、引力場和希格斯場。對于每個場，都有一種相應(yīng)類型的粒子，我們最好將其理解為該場中的一點漣漪。電磁場的漣漪是光波，其中最溫和的是光粒子，我們稱之為光子。同樣，電子是電場中的漣漪，希格斯玻色子是希格斯場中的最小漣漪。

一個靜止的電子，就像吉他弦的振動一樣，是一個駐波，以一個特定的頻率振動，我們稱之為共振頻率。這種共振非常常見。因為彈撥的吉他弦總是以共振頻率響起，所以它總是發(fā)出相同的音調(diào)。同樣，擺錘的固定頻率使其成為一個有效的時鐘。根據(jù)同樣的原理，每個靜止的電子都以電場的共振頻率振動。

宇宙中的大部分場都有共振頻率。從某種意義上說，宇宙就像一件樂器，兩者都具有最容易振動的特征頻率。

對我個人來說，共振是世界的基礎(chǔ)這一事實是我的快樂和驚奇想法的源泉。作為一名業(yè)余音樂家和作曲家，我很早就了解鋼琴、單簧管和吉他的內(nèi)部運作。但當(dāng)我還是一名研究生時，我驚訝地發(fā)現(xiàn)，宇宙的結(jié)構(gòu)，甚至我自己的身體，都是基于類似的原理運作的。

然而，如果沒有希格斯場，宇宙的這種神秘的音樂性是不可能存在的。

在量子場論中，量子物理學(xué)和愛因斯坦相對論的結(jié)合導(dǎo)致了共振頻率與基本粒子質(zhì)量之間的關(guān)鍵關(guān)系：靜止粒子振動得越快，其質(zhì)量就越大。沒有共振頻率的場對應(yīng)于沒有質(zhì)量的粒子。這種粒子，包括電磁場的光子，永遠不會靜止。

雖然希格斯場的荒誕故事表明，質(zhì)量是由蜜糖狀物質(zhì)減緩基本粒子的速度引起的，但事實是，更強的希格斯場使基本粒子以更高的頻率振動，從而增加了它們的質(zhì)量。因此，人們可能會將希格斯場視為一種宇宙硬化劑，其作用是加快其他場的共振頻率。

一個場如何改變另一個場的頻率？鐘擺可以給我們提供一個簡單的例子。

想象一下，把一個球放在深空中一段繩子的末端，那里的引力場基本上為零。球會漫無目的地漂浮。如果你稍微推一下，它可能會慢慢漂移，但不會振動。

然而，如果你把鐘擺放在非零的引力場中，一切都會改變。球筆直地垂下，如果受到干擾，就會擺動。

當(dāng)球靜止時，它就處于平衡狀態(tài)——穩(wěn)定且平衡，沒有理由移動。如果借外力讓球向右移動，重力則會使它向左擺動，反之亦然。球的位置恢復(fù)到平衡點的趨勢，即所謂的恢復(fù)效應(yīng)，是導(dǎo)致它擺動的原因。

在這里，引力場起到了加強劑的作用：它使鐘擺具有非零的共振頻率。引力場越強，恢復(fù)效果越強，擺的共振頻率越高。

類似地，希格斯場對其他基本場產(chǎn)生了恢復(fù)效應(yīng)，從而改變了它們的振動方式。盡管任何場都可以像池塘中的波一樣有移動的漣漪，但恢復(fù)效應(yīng)同時允許場有靜止的漣漪，即類似于吉他弦上的駐波。正如我之前提到的，這些駐波只不過是靜止的基本粒子，在各自的場中蕩漾。

這一概念是已故英國物理學(xué)家彼得 · 希格斯（Peter Higgs，希格斯場因其命名）和他的學(xué)術(shù)競爭對手在20世紀(jì)60年代指出的核心觀點：場可以使其他場變硬，從而允許它們的漣漪以共振頻率在原地振動，賦予粒子以質(zhì)量。大型強子對撞機對希格斯玻色子的實驗研究證實，這確實是希格斯場的作用。通過使用粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)學(xué)方法，即描述所有已知基本粒子和宇宙中的場之間相互作用的量子場論，科學(xué)家對希格斯玻色子的行為做出了與實驗精確匹配的預(yù)測。毫無疑問：希格斯場對其他場產(chǎn)生了恢復(fù)效應(yīng)。

因此，隨著對希格斯場的深入理解，讓我講述一個不同的故事：

很久以前，宇宙誕生了。它熾熱無比，到處都是基本粒子。其中有一個希格斯場，最初是封閉的。但隨著宇宙的膨脹和冷卻，希格斯場突然打開，具有了非零強度。當(dāng)這種情況發(fā)生時，許多場變得僵硬，因此它們的粒子獲得了共振頻率和質(zhì)量。這就是宇宙在希格斯場的影響下轉(zhuǎn)變?yōu)榻裉斓牧孔訕菲鞯墓适隆?/p>

資料來源 Quanta Magazine

本文作者馬特 · 斯特拉斯勒（Matt Strassler）是一位理論粒子物理學(xué)家。本文改編自物理學(xué)家馬特 · 斯特拉斯勒的新書《不可能之海中的波浪》